于悅 任昕淼 付曉丹 朱高照 劉忠獻 紀蘇航 張芳 王成強 牟海津

摘要 刺參（Apostichopus japonicus）是我國傳統(tǒng)海珍之一，目前國內(nèi)人工養(yǎng)殖技術已經(jīng)相對成熟，但養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)仍舊面臨養(yǎng)殖可控性差，病害頻發(fā)、抗生素濫用等諸多問題。刺參腸道菌群與刺參的營養(yǎng)消化、免疫防御以及腸道再生等生理功能密切相關。養(yǎng)殖過程中，維持刺參腸道微生態(tài)健康是保障刺參養(yǎng)殖成活率和營養(yǎng)品質的關鍵要素之一，刺參自身生長階段和外部環(huán)境因素均會影響腸道菌群的組成和功能。基于此，總結了國內(nèi)外有關刺參腸道菌群結構和生理功能的研究現(xiàn)狀，列舉了影響刺參腸道菌群的主客觀因素，以期為刺參的科學健康養(yǎng)殖提供理論指導。

關鍵詞 刺參;腸道菌群;影響因素;生理功能;科學養(yǎng)殖

中圖分類號 S917.1? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）07-0019-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.005

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on Intestinal Microbiota of Apostichopus japonicus

YU Yue， REN Xin-miao， FU Xiao-dan et al

（College of Food Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao， Shandong 266003）

Abstract Apostichopus japonicus is one of the precious traditional seafoods in China. At present， the artificial breeding technology has been relatively mature， but the culture industry still faced many problems， such as lack of quality control methods， frequent outbreak of diseases， excessive use of antibiotics and so on. Intestinal microbiota of A. japonicus have been implicated in a number of host physiological functions such as nutritional digestion， immune defense and intestinal regeneration. So in the process of aquaculture， healthy intestinal microecology was one of the key factors to ensure the survival rate and nutritional quality of A. japonicus. Many studies have shown that the composition and function of intestinal microbiota was affected by growth stage of A. japonicus and external environment factors.Based on this， this paper summarized the research status of structure， physiological function and influencing factors of A. japonicus intestinal microbiota in China and abroad， in order to provide a theoretical basis for the scientific breeding of A. japonicus.

Key words Apostichopus japonicus;Intestinal microbiota;Influencing factors;Physiological function;Scientific breeding

刺參（Apostichopus japonicus）自然資源主要在日本北海道、朝鮮半島等臨近海域分布較廣[1]。我國的刺參自然資源主要沿黃、渤海區(qū)域分布于遼寧半島以及山東半島地區(qū)[2]。刺參因具有較高的營養(yǎng)價值而倍受消費者青睞，養(yǎng)殖規(guī)模和產(chǎn)量逐年提升。2020年，我國刺參年產(chǎn)量近15萬t，以山東、遼寧、河北沿海為主產(chǎn)區(qū)，同時向東南拓展延伸至黃河三角洲及閩浙沿海一帶[3-4]。

隨著養(yǎng)殖規(guī)模的日趨壯大，不科學的集約化養(yǎng)殖非常容易引起刺參病害的大規(guī)模爆發(fā)，造成嚴重的經(jīng)濟損失[5]。研究表明，腸道微生態(tài)平衡可能影響水產(chǎn)動物的存活率、生長性能、免疫應答和抗病能力[6-8]。腸道菌群介導機體與環(huán)境之間的物質交換和信號傳輸受養(yǎng)殖模式、水質環(huán)境、飼料等各種外部因素和宿主自身生長階段的影響[9]。因此，研究刺參腸道菌群種類、特征及其影響因素和調節(jié)機制對推動刺參養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的高質量發(fā)展具有十分重要的意義。

1 刺參的生物學特性及腸道特征

1.1 刺參的基本生物特征

刺參，棘皮動物，又名“沙噀”“仿刺參”“海鼠”等，體色多為黑褐色，體長20～40 cm，寬3～6 cm，體態(tài)一般呈腹背兩面長圓筒狀，口在前端，消化道經(jīng)由排泄腔一直延伸到肛門，腹面前端有20個左右呈環(huán)狀排列的觸手，身體柔軟，伸縮性強，運動較為遲緩[10]。作為典型的溫帶物種，刺參最適宜生存在8～15 ℃水溫下，喜棲息于海底礁石下或海草等水下植物中間，多分布于潮間帶直至20 m水深處[11]。刺參具有夏眠習性，夏眠期間停止攝食，體重下降，當海水溫度過高時，刺參應激將內(nèi)臟排出體外，但其再生能力很強，當環(huán)境適宜時，2個月左右即可再生恢復[12-13]。

1.2 刺參的腸道結構特點

刺參的消化系統(tǒng)由口、咽、食道、胃、腸、排泄腔和肛門組成，食物的主要消化部位為懸掛在體腔內(nèi)約3倍體長的腸道管[14]。腸道又分前腸、中腸和后腸，排泄腔是后腸的一個短末端，體腔最末端為肛門，樹枝狀的呼吸樹附著于體腔和腸道上，具有排泄和呼吸的雙重功能[15]。刺參單薄的腸道壁有利于食物的消化吸收，其腸壁由黏膜上皮、黏膜下層、肌肉層和外膜依次構成，刺參的生理狀態(tài)會影響刺參腸道的厚度和結構，從而引起腸道內(nèi)菌群結構的改變[14，16]。

1.3 刺參的腸道菌群結構特點

刺參是沉積食性動物，消化系統(tǒng)比較簡單，其腸道菌群主要受外部生長環(huán)境中細菌群落的影響，同時腸道的多層結構和較長的長度為細菌群落的發(fā)展及演替提供了良好的生存環(huán)境[17-18]。刺參腸道中的優(yōu)勢菌屬主要包括氣單胞菌（Aeromonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、腸桿菌屬（Enterobacter）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、微球菌屬（Micrococcus）、假交替單胞菌屬（Pseudoalteromonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、鹽單胞菌屬（Halomonas）和弧菌屬（Vibrio）等[19]。但不同地域的刺參腸道菌群結構差異明顯，例如我國大連養(yǎng)殖刺參腸道優(yōu)勢菌群主要以濘桿菌屬（Lutibacter）為代表，然而在福建養(yǎng)殖的刺參優(yōu)勢菌屬則為乳球菌屬（Lactococcus）和芽孢桿菌屬，2個產(chǎn)地刺參腸道的優(yōu)勢菌群屬完全不同[20]。在人工養(yǎng)殖過程中，刺參的腸道菌群隨著其發(fā)育階段、生理狀態(tài)、攝食習慣和外部環(huán)境的變化呈現(xiàn)動態(tài)平衡，并與宿主的生長發(fā)育、免疫健康密切相關。刺參在夏眠時期進食減少，腸道萎縮，對病原菌的抵抗減弱，存活率低，而人為干預腸道菌群，例如補充益生菌和益生元，可以促進腸道對有機物的吸收利用，預防病原體的感染，提高刺參的養(yǎng)殖存活率[21-22]。

2 刺參腸道菌群結構的影響因素

在生長過程中，養(yǎng)殖模式、水環(huán)境、季節(jié)溫度、飼料成分等因素都會對刺參腸道菌群結構產(chǎn)生不同程度的影響。水生動物在母體內(nèi)以卵形態(tài)存在時，其腸道環(huán)境是無菌的，孵化后則立刻通過攝食大量吸收外界環(huán)境中的微生物[23-24]。研究表明，刺參在攝食藻類、底部沉積物以及人工飼料的過程中，腸道微生物開始富集，并逐漸形成自身穩(wěn)定的腸道菌群結構[18]。筆者對刺參幼參的腸道菌群結構分析顯示，刺參腸道的優(yōu)勢菌門是變形菌門（Proteobacteria），次優(yōu)勢菌門為擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes），與養(yǎng)殖水環(huán)境中的菌群組成相似。

2.1 養(yǎng)殖模式和水環(huán)境的影響

陸振等[25]發(fā)現(xiàn)刺參在池塘養(yǎng)殖模式下和吊籠養(yǎng)殖模式下腸道的優(yōu)勢菌群不同，前者腸道內(nèi)芽孢桿菌占比較高，而后者腸道中弧菌屬細菌豐度較高。水環(huán)境是刺參生存最基本的環(huán)境條件，不同養(yǎng)殖模式下刺參腸道菌群的差異可能與水體環(huán)境有關。同為池塘養(yǎng)殖模式，3種不同水質管理模式（底充氧、自然納潮和養(yǎng)水機）下，底充氧池塘刺參腸道中弧菌數(shù)量最高，芽孢桿菌數(shù)量最低，水質調節(jié)作用最弱[26]。另外，養(yǎng)殖水體中的一些有威脅的水質因子（如水體中的抗生素和其他環(huán)境污染物殘留）會影響刺參腸道細菌群落的變化。四環(huán)素、紅霉素和諾氟沙星等抗生素的使用會顯著降低刺參腸道中對抗生素敏感的有益菌如Thalassotalea、亞硫酸鹽桿菌屬（Sulfitobacter）和嗜鹽單胞菌屬等的豐度，而弓形桿菌屬（Arcobacter）、亮發(fā)菌屬（Leucothrix）等潛在致病菌和疑似抗生素耐藥性細菌的豐度則顯著增加，抗生素殘留可能增加刺參病原菌感染的風險[27]。此外，海參養(yǎng)殖的人工池塘和沿海淺水區(qū)容易受到多環(huán)芳烴等環(huán)境污染物的污染。苯并芘是一種致癌的多環(huán)芳烴，研究發(fā)現(xiàn)0.5 μg/L苯并芘即可引起刺參腸道炎癥和免疫抑制，苯并芘處理組刺參腸道中的多種有益菌屬和本土菌屬減少，包括乳球菌屬、芽孢桿菌屬、乳桿菌屬、腸球菌屬、明串珠菌屬和魏氏菌屬等，與此同時，濘桿菌屬、假交替單胞菌屬、極地桿菌屬（Polaribacter）、紅小梨形菌屬（Rhodopirellula）和Blastopirellula等烷烴降解細菌的豐度顯著增加，表明刺參腸道菌群的組成受到環(huán)境的影響非常顯著，外部水體環(huán)境的波動會很快在刺參腸道菌群中發(fā)生響應性的變化;同時，刺參腸道菌群也可以在惡劣環(huán)境下對刺參宿主表現(xiàn)出一定的輔助保護作用[28]。

2.2 季節(jié)溫度的影響

溫度是導致刺參腸道菌群結構差異的重要因素之一，全紫嬌等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在10 ℃條件下占比最大的是濘桿菌屬與弧菌屬，在26 ℃條件下占比最大的是Rubritalea，表明不同溫度下刺參腸道菌群存在特殊的優(yōu)勢菌屬。溫度直接影響細菌的代謝繁殖，李彬等[30]對池塘養(yǎng)殖刺參腸道菌群進行平板計數(shù)和分類學分析得出，11月到翌年1月養(yǎng)殖海水的溫度持續(xù)降低，刺參腸道菌群的多樣性也隨之降低，水溫的下降導致海水中有機質分解變慢，從而導致細菌數(shù)目的減少。溫度對刺參攝食活力的影響也是不同溫度下刺參腸道菌群結構差異的重要原因，王姣姣等[21]對不同月份養(yǎng)殖的刺參腸道組織進行微生物多樣性分析發(fā)現(xiàn)，在春秋兩季，刺參菌群結構演替變化的規(guī)律相似，呈現(xiàn)兩個升降周期，推測刺參腸道內(nèi)菌群結構的周期性演替與刺參冬、夏眠的攝食規(guī)律有關。丁斯予等[31]對黃海、渤海刺參腸道菌群的最新研究表明，雖然黃海和渤海養(yǎng)殖水體和底泥中的優(yōu)勢菌屬存在明顯差異，但刺參腸道中的優(yōu)勢菌屬相同，均為海球菌屬（Halioglobus）（相對豐度大于12.67%），而秋季渤海水域溫度較低（12.3 ℃），在渤海海域養(yǎng)殖刺參的腸道中檢測到較多的別弧菌屬（Aliivibrio），該屬多為耐寒致病菌，雖然養(yǎng)殖池塘的刺參未有疾病的暴發(fā)，但仍需在秋冬季加強對刺參養(yǎng)殖水體的溫度監(jiān)測。

2.3 飼料成分差異的影響

養(yǎng)殖刺參的主要食物來源是人工投喂的飼料，飼料的品質與刺參的健康密不可分。飼料添加劑是飼料的核心組成之一，研究發(fā)現(xiàn)，多糖、寡糖、營養(yǎng)素、中草藥、微生物制劑等水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的飼料添加劑具有改善刺參腸道菌群、預防病害、提高免疫的功能。日糧補充黃芪多糖（APS）能夠增加刺參腸道中紅桿菌科等有益菌的相對豐度，提高刺參對病原弧菌的抵抗能力[32-33]。飼料中殼寡糖的補充能夠增加刺參腸壁菌群的多樣性和豐富度，增加芽孢桿菌屬等有益菌屬的豐度，但對刺參腸壁菌群整體結構并未產(chǎn)生顯著影響[34]。張紅梅等[35]發(fā)現(xiàn)在飼料中添加甘露寡聚糖同樣豐富了魚類腸道微生物的種類，表明功能性聚糖和低聚糖類飼料添加劑的使用對水產(chǎn)動物腸道菌群結構的普遍改善效果。Zeng等[36]開展了為期30 d的飼養(yǎng)試驗，以硒（硒代蛋氨酸）和維生素C飼喂海參，腸道菌群分析結果表明，弧菌豐度隨著硒和維生素C的聯(lián)合補充而降低，硒與維生素C合用降低了致病菌感染風險，表明營養(yǎng)素的添加可以促進海參的生長健康。中草藥同樣對刺參的生長具有促進作用，樊英等[37]在飼料中添加2%的黨參后發(fā)現(xiàn)，黨參作為免疫增強劑可以增加刺參腸道異養(yǎng)菌數(shù)量和優(yōu)勢菌的豐度，優(yōu)化刺參腸道微環(huán)境。合生元是益生菌和益生元組合的微生態(tài)制劑，近年來，其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的研究應用逐漸興起，Wang等[38]發(fā)現(xiàn)海藻寡糖和地衣芽孢桿菌合生元增加了海參腸道微生物多樣性，顯著提高了芽孢桿菌和乳球菌等益生菌的相對豐度。通過研究比較投喂人工配合飼料和天然基礎飼料后刺參腸道菌群的結構差異，推測飼料添加劑對刺參腸道微生態(tài)環(huán)境的改善能夠間接調節(jié)宿主腸道的生理功能，筆者在相關領域進行了研究，旨在通過溶菌酶和半乳甘露寡糖的添加，重塑刺參腸道菌群來改善刺參腸道健康，促進刺參生長和免疫。

3 刺參腸道菌群對相關機能的反應

刺參腸道結構簡單，腸道菌群可以直接影響刺參腸道的生理功能，微生物自身的生長代謝可能在刺參消化代謝、營養(yǎng)吸收、免疫防御等方面發(fā)揮重要作用，維持腸道菌群、宿主和外部環(huán)境之間的動態(tài)平衡可有效促進刺參的生長和健康。

3.1 抑制病原菌，提升免疫力

刺參的大規(guī)模高密度養(yǎng)殖容易導致刺參病害的暴發(fā)，制約刺參養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[39]。研究表明，幼參腐皮綜合癥、胃萎縮病和化板病等刺參疾病的主要致病菌屬為弧菌屬、希瓦氏菌屬（Shewanella）和氣單胞菌屬等，三者均屬于弧菌科[40-41]。水產(chǎn)養(yǎng)殖中廣泛應用的免疫增強劑（例如聚糖、寡糖和益生菌類添加劑）多具有調節(jié)腸道菌群和刺激免疫的功能，從而發(fā)揮預防致病菌感染和提高機體免疫的作用[42]。Gu等[43]評價了β-葡聚糖、甘露寡糖及其組合對刺參生長性能、免疫力和抗病能力的影響，β-葡聚糖和甘露寡糖可以與體腔細胞表面的模式識別受體結合，直接激活刺參免疫系統(tǒng)，而二者同時作為益生元，通過調節(jié)腸道菌群間接改善宿主的生長和免疫功能[44]。筆者研發(fā)出一種復合溶菌酶和半乳甘露寡糖益生元的飼料添加劑，能夠有效改善刺參幼參腸道微生物環(huán)境，降低弧菌屬等致病菌屬的豐度，促進紅桿菌科等潛在益生菌的增殖，同時顯著提高刺參幼參的日攝食量和存活率，提高刺參幼參免疫酶活性和抗氧化活性，是一種具有產(chǎn)業(yè)潛質的生物替抗劑。益生菌添加劑是促進刺參腸道健康更直接的手段，添加乳酸菌的飼料增加了海參的存活率，由于乳酸菌產(chǎn)生的乳酸可誘導脂多糖（LPS）釋放并破壞革蘭氏陰性菌的細胞壁，降低刺參腸道內(nèi)弧菌等病原菌的數(shù)目，具有很強的抑菌活性[45]。Zhang等[46]發(fā)現(xiàn)日糧補充枯草芽孢桿菌和低聚果糖后，刺參腸道中弧菌的增殖受到顯著抑制，并且枯草芽孢桿菌和低聚果糖的組合對增強刺參的免疫反應和抗病能力具有協(xié)同作用。另外，益生菌發(fā)酵益生元產(chǎn)生各種有益代謝產(chǎn)物，例如短鏈脂肪酸的聚合物聚羥基丁酸酯（PHB）也具有預防病原體感染的作用。有研究報道，添加PHB能夠提高藍貽貝幼蟲暴露于燦爛弧菌（V.splendidus）或溶珊瑚弧菌（V.coralliilyticus）下的存活率，PHB還可以通過調節(jié)熱休克蛋白70（Hsp70）觸發(fā)的先天免疫應答來保護鹵蟲宿主免受致病性弧菌的侵害[47-48]。目前腸道菌群與刺參免疫反應的互作關系尚不清晰，Song等[32]在刺參養(yǎng)殖過程中添加黃芪多糖，通過相關性分析方法研究腸道菌群與非特異性免疫反應的關系，發(fā)現(xiàn)屬水平上差異顯著的菌屬與免疫或抗氧化相關酶活性之間具有顯著相關性，同時，參與免疫激活的關鍵核轉錄因子核因子-κβ（NF-κB）的表達水平也與某些腸道菌屬顯著相關。

3.2 分解有機物，促進消化吸收

刺參腸道大量的微生物來源于食物中的藻類碎屑。海藻和海泥中常見的弧菌和假單胞菌在刺參前腸中被大量發(fā)現(xiàn)，食物和環(huán)境中的一部分細菌能夠在刺參后腸定殖，這類細菌是刺參營養(yǎng)消化和吸收過程中的重要參與者[49]。刺參腸道內(nèi)部分微生物依靠其強大的有機物降解能力，將攝食的藻類和底泥等進行分解后為機體供能。Bogatyrenko等[19]發(fā)現(xiàn)從刺參腸道中分離出的細菌具有降解淀粉、海藻酸鈉、幾丁質、硫酸軟骨素、吐溫、橄欖油、酪蛋白和明膠的能力，表明刺參腸道菌群對食物中有機物有加工同化作用。相關研究表明，腸道菌群對機體的消化吸收具有重要作用，腸道菌群能夠率先分解蛋白質等營養(yǎng)物質，有助于宿主營養(yǎng)的預消化[50]。刺參腸道菌群類似于反芻動物的瘤胃微生物，能夠為宿主提供特定的必需氨基酸[51]。Clifford等[52]研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌分泌的蛋白酶可以水解蛋白質中的肽鍵，將蛋白質分解為單體和游離氨基酸，提高蛋白的生物利用率，表明刺參腸道微生物分泌的胞外酶能夠協(xié)助刺參消化道內(nèi)消化酶參與營養(yǎng)的消化和吸收。

3.3 其他

刺參具有特殊的排臟防御機制，必須在排臟后較短時間內(nèi)再生出消化系統(tǒng)以維持生命活動，刺參腸道的再生過程也是腸道細菌群落重塑的階段。Zhang等[7]探究了腸道微生物組成與刺參腸道再生之間的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)紅桿菌科和黃桿菌科是刺參腸道再生的關鍵參與者，黃桿菌科和紅桿菌科的豐度增加與腸道正常功能的恢復密切相關，可以作為未來刺參養(yǎng)殖的潛在益生菌，促進刺參生長發(fā)育。

刺參的腸道微生態(tài)系統(tǒng)處于與養(yǎng)殖水環(huán)境互作下的動態(tài)平衡，刺參腸道菌群可反之影響?zhàn)B殖水質。刺參腸道中存在的蘇云金芽孢桿菌具有良好的溶藻效果，巨大芽孢桿菌可以降解水體環(huán)境中難溶性無機磷化物，轉化為可用性有機磷，增加可溶性磷的含量，還可以降低養(yǎng)殖環(huán)境中氨氮的含量，對養(yǎng)殖水體的凈化具有重要作用[53-54]。

4 展望

健康刺參的腸道菌群種類豐富、組成穩(wěn)定，通常有明顯的優(yōu)勢菌屬。刺參腸道菌群對養(yǎng)殖環(huán)境的變化非常敏感，并且與刺參的消化、代謝和免疫等生理功能密切相關。目前，與刺參腸道菌群相關的研究仍停留在基礎階段，對菌群調節(jié)機制和作用機理的研究不夠透徹，隨著基因測序技術的革新和各種微生物多樣性檢測數(shù)據(jù)的公開，菌群穩(wěn)態(tài)與機體生長免疫等生理功能之間的多重相關性將逐步明晰，推動刺參腸道菌群研究的深入發(fā)展。另外，將刺參腸道菌群分析與刺參養(yǎng)殖技術逐步融合，針對具體的養(yǎng)殖環(huán)境，探究刺參腸道菌群結構和刺參生長健康之間準確的對應關系，能夠更直接地為刺參的健康養(yǎng)殖提供科學指導。

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